Lys på Olie:
anvendelse
af laserteknologi
• Click
to edit Master
text styles
i
og overvågning af oliefelter
•efterforskning
Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
Jens Engholm Pedersen, NKT Photonics
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
Problemstillingen:
På trods af nye produktionsmetoder i oliesektoren (fracking) og vigende
efterspørgsel
pga nedgang
i verdensøkonomien, så er energiparadigmet
• Click to efter
edit olie
Master
text styles
stadig
olie/gas,
og mange eksisterende forekomster er ved at være udtømte.
• Second
level
Derfor• erThird
derlevel
et stigende pres for at udvikle metoder til bedre udnyttelse af de
eksisterende
• Fourtholiereserver.
level
• Fifth level
Laserteknologi kan hjælpe til at danne billeder af fordelingen af materialer i
undergrunden. Det kan anvendes til at opnå øget udbytte af eksisterende
oliefelter.
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
Oversigt
• problemet: komplekse oliefelter, begrænset udnyttelse
• Clickaftoeksisterende
edit Master text
styles
ressourcer
• Second
level
• løsningen:
geoseismisk analyse af oliefelter (PRM)
• Third level
•• Hvorfor
anvende lys?
Fourth level
• Fifth level
• Hvordan
anvende lys?
- lysets rolle i geoseismisk analyse
- krav til laser & laserløsningen
- eksempler
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
Komplekse oliefelter
Let tilgængeligt oliefelt:
Komplekst oliefelt:
• Click to edit Master text styles • olien fordelt i mange små lommer
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
Statistik:
• I dag udvindes typisk kun ca. 30% af
et oliefelt
• Forøget olieindvinding gennem
geoseismisk analyse & PRM:
Permanent Reservoir Monitoring
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
• kræver detaljeret indsigt i geologien for
at planlægge tryksætning og placering af
oliebrønde
Geoseismisk analyse
Danne billede af undergrunden gennem:
• udsende akustisk chokbølge (airgun)
• interfaces i geologiske strukturer skaber
reflekterede signaler, som opsamles af et
• af
Second
array
sensorerlevel
• multiple
• projektioner
Third level sammensættes til
komplet •3DFourth
billede
level
• Click to edit Master text styles
• Fifth level
Nøglekomponent : sensor / hydrofon
• Traditionelle systemer baseret på
elektriske transducere (piezo elekriske
hydrofoner)
• Nye systemer baseret på fiber optiske
sensorer.
Anvendelser:
1. Olieeftersøgning (streamers)
2. PRM - Permanent Reservoir Monitoring:
• I dag udnyttes typisk kun 30% af et
reservoir
• PRM value proposition: øge udbyttet (op til
60% udnyttelse)
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
4D seismisk metode
• 3D seismiske billede: observation af
fordeling af olie, gas, vand, sand osv i et
• Click to edit Master text
reservoir
• 4D sesimisk: sammenligne 3D seismiske
• Second level
billeder - time-lapse sekvens over
• Third
level
udviklingen
i fordelingen
af bestanddele
• Fourth level
• tidligere blev målinger typisk foretaget
• Fifth level
med flere års mellemrum => svært at
fortolke data
• øget frekvens i målinger (flere gange per
år) + større detalje => bedre fortolkning
• 4D seismisk teknologi kan således
anvendes til at monitere ændringer
forårsaget af produktion og/eller af
injektion af fluider og gas for at forbedre
indvinding af olie
Men hvorfor med lys?
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
styles
Hvorfor bruge lys og fiber optiske sensorer til PRM?
Fiber-optiske sensorer & systemer:
• Click to edit Master text styles
• alle• komponenter
Second level under vand er 100% passive - dvs
•
•
•
•
•
uden• elektronik
Third level
herved• opnås
større pålidelighed sammenlignet med
Fourth level
Fifth level på elektroniske sensorer
systemer• baseret
gøre brug af teknikker fra optisk telekommunikation
til stor-skala multiplexing
indebærer, at relativt få fiberkabler kan opsamle
signaler fra mange tusinde sensorer
opererer med meget stor båndbredde, hvilket giver
hurtigere dataopsamling.
lang rækkevidde (mange gange 10-100 km)
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
Hvordan anvendes lys til fiberoptisk sensing af akustiske bølger:
fiber optiske hydrofoner
un-balanced Michelson interferometer:
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
ændring i fiberens brydningsindex pga strain:
• Hver sensor består af et fiber-optisk interferometer
(som i et PRM system ligger på/i havbunden)
• interferometeret er følsomt over for akustik gennem
fiberens elasto-optiske følsomhed (fiberens
brydningsindex påvirkes af strain)
• en laser måler fasen i interferometeret ved (f.eks.) at
låse laserens frekvens til interferometerets
kvadraturpunkt: fejlsignalet indeholder information
om interferometerets fase, som indeholder
information om trykket, som varierer med styrken af
det akustiske signal
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
: strain
: Poissons forhold
p12/p11: elementer i fiberens strain-optiske
tensor
For at overføre lydtryk til fiber strain er delayfiberen typisk viklet omkring en ’compliant
mandrel’, hvor den anden fiberarm placeres i
cylinder centrum:
Fasestøj i interferometer & krav til laser
• sensor skal kunne måle akustiske niveauer svarende
til DSS0 = Deep Sea State Zero
• Click to edit Master text styles
• Forholdene for udbredelse af akustiske signaler i
undergrunden
 geoseismik interesserer sig for lave
•
akustiske frekvenser, typisk 1 – 1000 Hz
Second level
• Third level
• Laserstøj: •lavFourth
så den
ikke begrænser
level
sensorelementets
følsomhed.
• Fifth level
• Ved måling af fasen i et interferometer er laserens
fase- eller frekvensstøj den vigtigste begrænsende
støjkilde
• Laser frekvensstøj omsættes til fasestøj i
sensorelementets interferometer:
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
low frequency
phase noise challenge
Laser med lav frekvensstøj: DFB fiber laser
passive fiber
photo-sensitive &
rare earth doped fiber
passive fiber
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
Pump light
• Fourth level
• Fifth level
Laser wavelength:
lB = LB ∙ n(lB,,T)
dlgap = lB/4
Stimulated laser
Typical length: few cm
emission at
wavelength lB
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
Hvorfor har DFB Fiberlaseren lav frekvensstøj?
rare earths + fiber
• Click to edit Master text styles
• Second level
Light confinement to
• Third level
fiber waveguide (5 mm)
• Fourth level
Stable pump
laser coupling
Well defined and stable
spatial mode (single
mode fiber)
• Fifth level
•High intensities @ low power
•Long pump/signal interaction length
combined with long radiative lifetimes of
RE’s: low threshold => high ratio between
coherent and incoherent light in laser field
& long cavity
ultra low linewidth & quantum
limited frequency noise
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
Easy operation –
no alignment
MEN: frekvensstøjen
er stadig for stor ved
frekvenser under ca
10 – 100 Hz
kvantebegræset frekvensstøj
(Shawlow-Townes – ca. værdi)
Reduktion i lavfrekvent frekvensstøj: X15
• 1/f komponenten i frekvensstøjen repræsenterer timing jitter af en
• Click to edit Master text styles
spektralt smal laserlinie
• låsning til en stabil reference kan derfor anvendes til at reducere
• Second level
frekvensstøjen
• Udviklingsprojekt
i samarbejde med DFM ledte til en væsentlig
• Third level
reduktion• i frekvensstøj
Fourth level i intervallet fra ca 1 Hz – 10 kHz  X15 laseren
• Fifth level
Frequency stabilized fiber DFB
laser module (X15)
• reduceret frekvensstøj
• Under den geoseismiske grænse
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
kvantebegræset frekvensstøj
(Shawlow-Townes – ca. værdi)
DFB fiber laser / Multikanal lasersystemer
•
•
•
•
•
•
•
Kompact
& modulær
Click to edit
Master text styles
Single
mode,
• Second
levelsingle frequency
• Third
level
Smal
liniebredde
( 100 Hz)
• Fourth level
Lang •kohærenslængde
>50 km
Fifth level
Lav frekvensstøj
Lav intensitetsstøj
Lavt effektforbrug ( 5-7 W)
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
PRM systemer: hvor?
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
“Snorre has an ambition to
improve the recovery rate
from the current level of 46
per cent to 55 per cent.
Grane's ambition is to
increase the recovery rate
from 56 to 65 per cent.
Permanent reservoir
monitoring will help
achieve these ambitions.”
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
PRM system at Ekofisk: Optoplan / Optowave
Optowave - Optoplan and Statoil:
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
Ekofisk
• deployment 2010
• 4000 sensor stations covering a seabed area
•
•
•
•
•
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
of approx. 60 km2
wavelength & time division multiplexing
wet-end system: 24000 FBG’s, > 3500km
optical fibre
sensor station spacing 25 - 50m, parallel
cables spaced by 200 - 400 meters
seismic stations trenched into the sea floor
probably be the largest single fibre optic
sensor network ever made
Optowave configuration
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
Optowave: fibre optic Ocean Bottom seismic
Cable (OBC) configuration
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
{figure courtesy
of Optoplan}
Transmitter:
• wavelength multiplexed multi-channel (n)
low phase noise CW fibre laser source
• modulator module:
• intensity modulator (pulser): generate
required TDM pulses
• stabilized compensating M-Z
interferometer (CIF): generate pulse
pair with a pulse separation of 100ns
matching the delay of the sensing
interferometers
• booster amplifier
• 1xN splitter: splits light into N downlead
fibres in the lead-in cable to the wet-end
system
Receiver:
• N optical de-multiplexers connected to the
N uplead fibres, each with n channels
• receivers and demodulators
• data integration module
Fiber optic sensor station configuration
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
•
•
•
•
•
•
Ax, Ay, and Az: x, y, and z-accelerometer coils
H: hydrophone coil
ref: reference coil
All FBGs in a sensor station have the same wavelength (here λ1)
Input, transmitted and reflected pulses
Five grey reflected pulses are overlapping, interfering pulses containing the individual sensor
information
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
OBC sensor station package
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
Sensor station
• Fifthassembly
level
Seismic cables
OBC sensor station package:
Offshore installation of seismic cable
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
{figures courtesy
of Optoplan}
Seismic measurements & sections
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
Eksempel på PRM system: Jubarte
Jubarte nøgletal:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
• Click to edit Master text styles
beliggenhed: 77 km fra Brasiliens kyst
estimeret oliereserve: 600 millioner tønder
• Second
level
operatør:
Petrobras
total areal
af feltet:
245 km2
• Third
level
dybde: 1185
– 1365
meter
• Fourth
level
PRM system:
Optoseis, installation 2012
• PGS
Fifth level
PRM system dækker 9 km2, men kan måle på ca 35
km2
36 km seismiske kabler
712 sensorstationer (hver med 4 interferometriske
sensorer, 3 accelerometre og 1 hydrofon)
sensorstationer fordelt i et 50 x 300 m netværk
verdens første dybvands PRM system
3 aktive seismiske målinger gennemført
PRM systemet forventes at lede til et væsentlig
forøget udbtte af feltet (olie & gas)
resultaterne fra de gennemførte målekampagner er
allerede blevet anvendt til omplacering af oliebrønde
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
PGS Optoseis: sensor & system
PGS Optoseis optiske sensorer er baseret på Michelson
interferometre. Under sesimisk måling er faseskiftet i
interferometeret proportionalt med styrken af det akustiske signal.
• Click to edit Master text styles
•
Hver OptoSeis
sensorstation indeholder 3 orthogonalt monterede
accelerometre
+ en level
hydrofon.
• Third
Second level
• Fourth
Alle 4 komponenter
er level
100% passive fiber optiske enheder.
• Fifth level
Sensorstationen er trykbalanceret for at kunne virke på stor
dybde.
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
PGS Optoseis / Jubarte: system
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
PGS OptoSeis / Jubarte opto-elektronisk system med
laserenheder og optisk demodulator
NKT Photonics AcoustiK multiplexed laser:
PGS OptoSeis / Jubarte: kabler med sensorstationer
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
PGS OptoSeis / Jubarte PRM system – installation, billeder
• Click to edit Master text styles
• Second level
• Third level
• Fourth level
• Fifth level
kabler med sensorstationer på tromle
udlægning af kabler med sensorstationer
kabler med sensorstationer på dybt vand
“wet mate” station: udlægning og på dybt vand
Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos